JPS63106883A - 符号読取り装置用光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （支）技術分野 この発明は、光学的文字読取り装置やバーコード読取り
装置などの改良に関する。

特に、これら読取り装置に於て、読取り可能な符号の分
解能向上を目的とするものである。

ハンドスキャナによって、文字やバーコードを光学的に
読取る装置は、広く用いられている。

スキャナの中には、対象物を照らす光源と、反射光を結
像するための光学系と、光信号を電気信号に変換するセ
ンサと、センサからの電気信号を二値化処理する回路な
どが内蔵されている。

光電変換を行なうセンサであるが、二次元イメ−ジセン
ザ、−次元イメージセンサのようにイメージセンサを使
う事も多い。二次元イメージセンサを使うと、−瞬の内
に、二次元の読取りを行なう事ができる。−次元イメー
ジセンサの場合は、センサの並ぶ方向の線に沿って一次
元的な読取り全行なう事ができる。センサの配列による
走査を主走査という。これと直角な方向に、手でスキャ
ナを動かすことによって二次元の画像の読取りを行なう
事ができる。

このように、二次元又は−次元のひろがりを持つイメー
ジセンサにセンサとする場合、読取りの分解能はイメー
ジセンサの単位セルの寸法によって決定される。また、
二次元又は−次元的な拡がり全もつ領域に同時に照射し
なければならないので、光源はランプなどの白色光源で
あって、光は拡散するようになっている。面照射型光源
という事ができる。

しかし、本発明の符号読取り装置はこのようなイメージ
センサ全センサとして用いるものではない。

センサが１個のホトダイオードであるものもある。

この場合は、手でスキャナを二次元的に、又は−次元的
に動かす事により二次元、又は−次元の画像情報を得る
事ができる。

そして、スキャナの移動量を物理的に計測する手段を設
けておけば、ホトダイオードの出力に対応する地点を同
定することができる。

＠）従来技術 ホトダイオードにセンサとする場合は、イメージセンサ
をセンサとするものと異なり、同時に２魚具」ユの画像
情報に得る事ができない。常に１点の画像情報が得られ
るだけである。

この場合は、むしろ分解能が問題になる。

ある点だけに照明光全集中し、他の部分には光が存在し
ないようにする。その点からの反射光だけをホトダイオ
ードで検出する。

この場合、分解能を決定するものは、照明光のスポット
径である。光音できるだけ小さく絞って対象物に当てる
、という事が重要である。

このような符号読取り装置の照明光は、従来、光源から
出射された光音レンズ等により直接集光する構成となっ
ていた。

たとえば、特公昭５６−１４０４６７号公報に、従来例
のひとつが示されている。光源の光を、レンズを通して
絞り、スポット状にして対象物全照射するようにしてい
る。照射した点領域で反射された光がホトダイオードに
入り、光強度が検出される。

この装置に用いられる照明は、前述のものと異なり、一
点だけ全選択的に照射する。一点照射型光源という事が
できよう。

（ロ）発明が解決しようとする問題点 従来の、このタイプの符号読取り装置は、照明用光源の
出射光を、レンズで絞って、直接、対象物へ照射するよ
うになっていた。

照明光を受けた部分での反射光がホトダイオードに入り
、光強度が検出される。照明のない領域は反射光を生じ
ないので、どのようなパターンであっても、この時のホ
トダイオードの出力には影響全及ぼさない。

照明光のスポットが読取りの分解能を決定する。

このため、スポット径はできるだけ小さい方が良い。

ところが、光源から出射された光の拡がりはかなり広い
。また出射光の分布が真円でなく、偏っている場合が多
い。このため、レンズ系全周いて出射光を集光しても、
小さいスポットに絞りきる事ができない。従って、光学
読取り装置の読取分解能を上げる事ができない。

００　　目　　　　　　　的 高分解能の符号読取り装置を構成するため、照明光のス
ポットサイズを極めて小さくする事のできる光学系全提
供する事が本発明の目的である。

け）構　成 光源の光音、直接にレンズで絞って対象物へ照射するの
ではすく、本発明に於ては、光ファイバの中へ光を通し
てから、レンズで絞るようにする。

光フアイバ全通すのは、光の出射部における拡がり全で
きるだけ狭くシ、さらに出射光のパターンが真円になる
ようにするためである。

マルチモードファイバでもよいが、最も適するものはシ
ングルモードファイバである。

第１図は本発明の符号読取り装置の構成例図である。

走査用ヘッド１は、二次元的又は−次元的に移動する事
のできるケース部材である。目的により、二次元的、或
は−次元的な移動をする。もちろん、読取り対象物６の
面と平行な運動である。

移動手段と、移動量検出手段を備えており、読取り位置
と、その時の光検出信号の強度とを対応させる事ができ
るものとする。ただし、ここには移動手段、移動量検出
手段は図示していない。

据置型ユニット２は、光源や演算回路などを内蔵するも
のである。従来の符号読取り装置に於て、光源は走査用
ヘッドの方に内蔵されていた。本発明では走査用ヘッド
１では’ｘ　＜　、据置型ユニ’／）２に収容している
。

光源は、半導体レーザ（ＬＤ）３である。これから出射
された光音レンズ１１によって絞る。絞られた光ヲ、シ
ングルモードファイバ４の入射部１２に入射する。

シングルモードファイバというのは、その波長Ａの光に
対し、０次モードの光のみを通すファイバの事である。

つまり、コア径が著しく小さい。

このため、結合レンズ１１を使って、光源の光をできる
だけ多くコアに入射させる必要があるのである。これは
常用手段である。

半導体レーザは小型であって寿命も満足できるものであ
るから、光源として好適である。

照明光の色彩について制限がある場合の他は、半導体レ
ーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ａｒレーザなど適当なレーザ
光源を用いる事ができる。Ｈｅ−Ｎｅレーザは指向性が
良く安価でもあり、光が見えるので扱いやすいという長
所がある。

Ａｒレーザは大型で高価であるが、緑色光源全必要とす
る場合は、これを使えばよい。

据置型ユニット２の中には、演算処理部９も設けられて
いる。

光源からの光を伝送するシングルモードファイバ４と、
演算処理部９へつながる通信線８は共通のシース１０に
よって被覆される。これらは、走査用ヘッド１の端部１
６につながっている。

走査用ヘッド１の中には、シングルモードファイバ４の
終端部と、これを集光するレンズ５が設ケラレる。シン
グルモードファイバ４の出射部１３にはスリーブが固着
され、適当な手段によって走査用ヘッド１内に固定され
ている。

レンズ５によって集光された光は、窓１５から外部に出
射され、読取り対象物６の一点Ｐに当たる。

走査用ヘッド１の窓１５の内側には、ホトダイオード７
が設けられる。ホトダイオード７は、光点Ｐからの反射
光全受けて、光強度を電気信号に変換する。この電気信
号は、通信線８′ｆｔ経て、据置型ユニット２の演算処
理部９に至る。

（９）作　用 光源からの出射光は、一般に拡がりが大きい。

また出射光のパターンが真円でないことが多い。

このため、レンズなどを用いても、読取り対象物が遠方
にある場合、光に小さく絞る事はレンズ系を用いても、
非常に困難であった。

本発明に於ては、光をいったん光ファイバに入射し、小
さい光フアイバコアの中に閉じこめている。光フアイバ
コアからの出射光全レンズで絞っているから、非常に小
さいスポットに光を絞る事ができる。

光フアイバコアからの出射光であるから、出射部の面積
（コア面積〕は極めて小さく、また、出射パターンは真
円である。このため、レンズで小さく絞る事ができるの
である。光ファイバは、光を狭い面積に集め、しかも真
円の出射光パターンを得るために用いられているのであ
る。

また、光源は走査用ヘッドにはなく、据置型ユニット２
の中にあるから、走査用ヘッドを著しく小さくする事が
できる。このため、走査用ヘッド全手のひらに収まる程
度のケースに収容するとすれば、走査ヘッド部分を著し
く小型軽量化する事ができる。

（４）　ビーム径の最小化 光の回折のため、どのように光を絞っても、有限の大き
さがある。また、レンズ系を用いて光を絞ると、最小径
全実現できる点（結像点）の後方では、再び光が拡散し
てゆく。

第２図によって、ビーム径の最小化条件を説明する。

レンズ５の中心面を原点Ｏとする。レンズの後方にシン
グルモードファイバ４の出射端が存在する。この点とレ
ンズの距離ｉａとする。ファイバ出射端でのビーム半径
をＥとする。コア半径をｒｃ。

ファイバの正規化周波数２ｖどすると、の関係がある。

原点Ｏから、光の進行方向に向ってＺ軸をとる。

シングルモードファイバの端面はＺ＝−ａ　　である。

光ビームがガウシャンビームであると仮定すると、ファ
イバ端面（Ｚ＝−ａ）から、レンズ（Ｚ＝０）までの光
ビームの平径Ｕ■は、 となる。λは光の波長である。光ビームの半径は、ファ
イバ端面からの距離の２乗に比例して増加してゆく。

レンズを透過すると、光が絞られる。半径は減少してゆ
く。レンズ前方の７．＝＝ｌ）点で最小半径Ｆｋとると
する。この点を基準位置という。Ｉノンズ系と基準位置
の距離すが予め与えられる定数という事になる。

そうすると、同じガウシャンビームの仮定で、レンズを
透過した後の、ビーム半径ＷＣＡ）；ｆ：、によって−
グーえられる。

読取り対象物が基準位置Ｚ＝ｌ）にあるのが最もよいの
であるが、常にこの位置にあわせる事は難しい。そこで
、Ｚ＝ｂを中心として、Ｇ〜Ｈの領域に読取り対象物が
存在すればよいものとする。

Ｇ、Ｈが限界点である。

レンズに近い万全近傍限界Ｇという。レンズに遠い方を
遠方限界Ｈという。これらのＺ座標ｋＧ１Ｈで表わす。

限界Ｇ、Ｈでのビーム径Ｗ（Ｇ）、Ｗ（６）は（２）式
を仮定し、Δ＝ｂ−Ｇ＝Ｈ−ｂとすると同一である。

ビーム径Ｗ（Ｇ）、Ｗ（社）は、最小ビーム半径Ｆの函
数である。Ｆをどのように選ぶこともできる。Ｆを独立
変数として、限界点Ｇ、Ｈで最小ビーム径″！を与える
ようなＦの値を求める事にする。

算術平均が幾何平均より大きい事を使って、である。た
だし、等号が成立するのは、の時である。

対象物までの距離ｂ１限界点までの幅Δは、予め与えら
れるものである。（４）により、最小ビーム径の最適値
が求まる。これ′！ｉ″Ｆｍとしている。

この時、限界点でのビーム半径は、 Ｗ（Ｇ）　＝　Ｗ（Ｈ５＝　”Ｅ”　Ｆｍ　　　　　　
　　　　（５）である。

さらに、（１）、（２）の値はレンズＺ＝０に於て、同
一であるから、 これから、ａを求めると、 となる。これは一般式でＦを決定しなければａの値を求
める事ができない。λ、ｂ、Ｅは予め一グ・見られた定
数であるが、Ｆは決まらないからである。

先はど説明したように、限界Ｇ、Ｈでのビーム拡がり全
最小にする、という条件を採用すると、Ｆ　＝　Ｆｍと
なり、これ全代入すると、ａの値として、 が得られる。

ｂが予め与えられており、ａがこれによって決定される
から、レンズの焦点距離ｆは によって計算される。

（り）実施例 シングルモードファイバを用いて、本発明の装ａｉｍ築
した。シングルモードファイバのスポット半径Ｅを２．
４μｍとする。

基準位置ｂ　＝　２５０ｍｍ　１近傍限界Ｇ　＝　２０
０ｍｍとした。

光源の波長λ＝　０．７５μｍとする。Δ＝５Ｑｍｍ　
である。

近傍限界での光ビームの拡がりを最小にするという条件
から、（４）式によって、基準位置でのビーム半径Ｆｍ
は Ｆｍ　　＝　　１０９μｍｌ となり、これにｆ］−を乗じて近傍限界でのビーム半径
は ＶＱＧＩ　　　　＝　　　　１５４μｍ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　（１０ンとなる。（
７）から、 ａ　　＝　　　５．５８１１１ｍ　　　　　　　　　（
１１）これと、ｂ＝２５０ｍｍから、 ｆ　　　＝　　　５．４６ｍ＋ｎ　　　　　　　　　（
１２）を得ることになる。

この結果の意味するところは、０．７５μｍ　の光源ヲ
使って、２．４μｍのスポット半径をもつシングルモー
ドファイバに光を通した時、焦点距離５．４６ｍ＋ｎの
レンズ全、ファイバ端から５．５８Ｍの位置に置ケば、
近傍限界での光のスポットが１５４μｍ半径になる、と
いう事である。

ケ）効　果 本発明によれば、照明光は光ファイバを透過した後、レ
ンズによって絞られるから、走査用ヘッドの遠方で、広
範囲にわたってビーム径を小さく絞る事ができる。

光源と光ファイバの結合部は据置型ユニットの中へ収容
できる。このため走査用ヘッドを小さくする事ができる
。

ハンドスキャンなどの符号読取装置用光学系として利用
すると効果的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の符号読取り装置用光学系の構成図。 第２図はレンズによる光の収束状態を説明する線図。 １　・・・・走査用ヘッド ２　・・・・　据置型ユニット ３　・・・・半導体レーザ ４　・・・・　シングルモードファイバ５　　・・・・
　　し　　　ン　　　ズ６　・・・・読取り対象物 ７　・・・・　ホトダイオード ８・・・・通　信線 ９・・・・演算処理部 １０・・シ　−　ス １１　　・・　　し　　　ン　　　ズ １２・・入射部 １３・・出　射　部 １５・・窓 １６・・端　　部 発　明　者　　　　　　　　西　　川　　　　　　満特
開口ａＧ３−１０６８８：３　　（６）手続補正書（自
発） １．事件の表示特願昭６１−２５４２３２号２、発明の
名称符号読取り装置用光学系３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 居　所大阪市東区北浜５丁目１５番地 名　称（２１３）住友電気工業株式会社代表者社長　川
　上　哲　部 ４、代　理　人 曇５３７ 明細書の「発明の詳細な説明」の欄 ６、補正の内容 （１）明細書第４頁第８行目「・・・・・・同定するこ
と力；できる。」の後に以下の文章を挿入する。 「また、手でスキャナを動かすのではなく、スキャナ内
に回転ミラー等を設けて、その回転により読取り用光ビ
ームを動かす方式でもよい。」

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）照明用光源と、照明用光源から出射された光を伝
   送する光ファイバと、光ファイバの他端から出射された
   光を集光して読取り対象物である符号に照射するレンズ
   系と、前記読取り対象物である符号から反射された光の
   強度を検出する光検出手段と、光検出手段によつて得ら
   れた電気信号を伝送する通信線と、伝送された電気信号
   を処理する演算処理部とよりなる事を特徴とする符号読
   取り装置用光学系。
2. （２）光検出手段と、光ファイバの出射光を絞るための
   レンズ系を走査用ヘッドに収容し、照明用光源と、光源
   から出た光を光ファイバに入射させる光学系は据置型ユ
   ニットに収容してあり、走査用ヘッドと据置型ユニット
   とは、シースで保護された光ファイバと通信線によつて
   接続されている事を特徴とする特許請求の範囲第（１）
   項記載の符号読取り装置用光学系。
3. （３）照明用光源が半導体レーザである事を特徴とする
   特許請求の範囲第（１）項又は第（２）項記載の符号読
   取り装置用光学系。
4. （４）照明用光源がＨｅ−Ｎｅレーザであることを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項又は第（２）項記載の
   符号読取り装置用光学系。